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Tarnkappen machen Solarzellen effizient

Mithilfe von Tarnkappen lässt sich die Effizienz von Solarmodulen steigern. (Bild: © Karlsruher Institut für Technologie KIT)
Mithilfe von Tarnkappen lässt sich die Effizienz von Solarmodulen steigern. (Bild: © Karlsruher Institut für Technologie KIT)

Tarnkappen sollen normalerweise Objekte unsichtbar machen. Wissenschaftler haben allerdings nun einen ganz anderen Nutzen entdeckt: Die Kappen können Solarmodule effizienter machen, indem sie Licht umleiten und es an Flächen der Solarzelle bringen, die beschattet sind.

25.09.2015 – Die Effizienz von handelsüblichen Solarzellen liegt bei etwa 20 Prozent. Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) veröffentlichten nun einen unkonventionellen Weg, um die Effizienz der Panels zu steigern: Optische Tarnkappen leiten das Sonnenlicht um Objekte, wie etwa die Kontakte zur Stromabfuhr herum, die eigentlich einen Schatten auf das Solarpanel werfen.

Nicht nur für die Energiewende, sondern auch zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit ist es äußerst sinnvoll, die Energieeffizienz von Solarpanels zu verbessern. Module, wie sie heute auf Dächern montiert werden, wandeln nur ein Fünftel des Lichts in Strom um, das bedeutet, dass etwa 80 Prozent der Sonnenenergie verloren gehen. Die Gründe für die hohen Verluste sind vielfältig. Beispielsweise ist bis zu einem Zehntel der Fläche der Solarzellen mit sogenannten Kontaktfingern bedeckt, die den erzeugten Strom abführen. Dort, wo sich die Kontaktfinger befinden, kann das Licht die aktive Fläche der Solarzelle nicht erreichen, die Effizienz der gesamten Zelle sinkt.

„Unsere Modellexperimente haben gezeigt, dass die Tarnschicht die Kontaktfinger fast vollständig unsichtbar macht“, sagt Doktorand Martin Schumann vom Institut für Angewandte Physik am KIT, der die Experimente und Simulationen durchgeführt hat. Die optischen Tarnkappen wurden so weiterentwickelt, dass sie das einfallende Licht um die Kontaktfinger der Solarzelle herumzuführen.

Normalerweise ist das Ziel der Tarnkappen-Forschung, Objekte unsichtbar zu machen. Dafür wird Licht um das zu tarnende Objekt herum geleitet. Bei diesem Forschungsprojekt lag der Fokus aber nicht auf der Tarnung der Kontaktfinger an sich, sondern auf dem umgeleiteten Licht, das dank der Tarnkappe potenziell die aktive Fläche der Solarzelle erreicht und damit für diese nutzbar gemacht wird.

Zwei interessante Verfahren

Um den Tarneffekt zu erzielen, gingen die Wissenschaftler zwei Möglichkeiten nach. Bei beiden Verfahren wird auf die Solarzelle eine Polymerschicht aufgebracht. Diese muss exakt berechnete optische Eigenschaften besitzen, nämlich entweder einen Brechungsindex, der vom Ort abhängt, oder eine spezielle Oberflächenform. Das zweite Konzept ist besonders vielversprechend, da es sich potenziell auch kostengünstig in die Massenproduktion von Solarzellen integrieren lässt. Die Oberfläche der Tarnschicht weist dabei Rillen auf, die entlang der Kontaktfinger ausgerichtet sind. So wird das einfallende Licht von den Kontaktfingern weg gebrochen und trifft schließlich auf die aktive Fläche der Solarzelle.

Die Forscher haben ein Modellexperiment und zahlreiche Simulationen durchgeführt und konnten hierbei zeigen, dass sich beide Konzepte dazu eignen, die Kontaktfinger zu tarnen. Im nächsten Schritt ist geplant, die Tarnschicht auf eine Solarzelle aufzubringen, um die tatsächliche Effizienzsteigerung zu bestimmen. Die Physiker sind optimistisch, dass sich auch unter realen Bedingungen eine Verbesserung durch die Tarnschicht ergibt: „Wenn man eine derartige Schicht auf eine echte Solarzelle aufbringt, sollten sich die optischen Verluste durch die Kontaktfinger reduzieren und die Effizienz sollte um bis zu zehn Prozent steigen“, sagt Martin Schumann.

Tarnkappen sind ein Forschungsschwerpunkt des KIT

Nicht nur bei Solarzellen können Tarnkappen sinnvoll eingesetzt werden, sondern auch in vielen weiteren Bereichen, etwa bei Linsen, Mikroskopen, in der Chip-Herstellung oder der Datenkommunikation. Im Kit stellen sie einen Forschungsschwerpunkt dar. „Mit den eigenen Augen etwas Unsichtbares zu sehen, ist eine spannende Erfahrung", so Joachim Fischer und Tolga Ergin. Die beiden Physiker haben am KIT fast ein Jahr daran gearbeitet, die Struktur der Karlsruher Tarnkappe so zu verfeinern, dass sie auch in einem für den Menschen sichtbaren Bereich des Lichts wirkt.

Tarnkappen funktionieren, indem Lichtwellen in ihrem Material so gelenkt werden, dass sie die Tarnkappe wieder verlassen, als ob sie nie mit dem zu tarnenden Objekt in Berührung gekommen wären – das Objekt ist somit für den Betrachter unsichtbar. Die exotischen optischen Eigenschaften des Tarnmaterials werden mit komplexen mathematischen Werkzeugen berechnet, die denen der Einsteinschen Relativitätstheorie ähneln.

Erreicht werden diese durch eine spezielle Strukturierung des Tarnmaterials. Sie muss kleiner als die Wellenlänge des Lichts sein, das abgelenkt werden soll. So kann beispielsweise für die relativ großen Rundfunk- oder Radarwellen ein Material verwendet werden, "das fast mit der Nagelschere produziert werden kann“, so Wegener. Bei Wellenlängen, die für das menschliche Auge sichtbar sind, müssen dagegen Materialien mit Strukturierung im Nanometerbereich hergestellt werden.

Die winzige Tarnkappe, die Fischer und Ergin nun erzeugt haben, ist kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie lässt eine Wölbung in einem Metallspiegel flach erscheinen und dadurch ein darunter verstecktes Objekt unsichtbar werden. Das Metamaterial, das über diese Wölbung gelegt wird, sieht wie ein Holzstapel aus, besteht jedoch aus Kunststoff und Luft. Die „Holzscheite“ verfügen über präzise festgelegte Stärken im Bereich von 100 Nanometern. Durch sie werden Lichtwellen, die die Wölbung normalerweise ablenkt, so beeinflusst und geführt, dass das reflektierte Licht dem eines flachen Spiegels entspricht.

Neue Gestaltungspielräume

„Würden wir es noch mal schaffen, den Strukturierungsabstand des roten Tarnmantels zu halbieren, hätten wir eine Tarnkappe, die das ganze sichtbare Lichtspektrum abdeckt", so Fischer. Bereits im vergangenen Jahr präsentierte die Gruppe Wegener die erste 3D Tarnkappe. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es lediglich Tarnkappen in Wellenleitern, die praktisch zweidimensional waren. Sobald man aus der dritten Dimension auf die Struktur schaute, war die Wirkung dahin. Die Karlsruher Tarnkappe konnte mit einer entsprechend filigranen Strukturierung für einen Wellenlängenbereich von 1500 bis 2600 Nanometern konstruiert werden. Dieser Wellenlängenbereich ist für das menschliche Auge noch nicht wahrnehmbar, spielt jedoch in der Telekommunikation eine große Rolle. Den Durchbruch ermöglichte das Verfahren des Direkten Laser Schreibens (DLS). Mit diesem Verfahren können winzige 3D-Strukturen mit optischen Eigenschaften erzeugt werden, die es in der Natur nicht gibt – sogenannte Metamaterialien.

Die KIT-Wissenschaftler verbesserten im vergangenen Jahr das ohnehin schon extrem feine Verfahren des Direkten Laser Schreibens weiter. Dabei benutzten sie Methoden aus der Mikroskopie, welche dort zu fundamentalen Auflösungsverbesserungen geführt haben. Damit hatten sie das entscheidende Werkzeug zur Hand, das Metamaterial um einen Faktor 2 zu verfeinern und so die erste 3D-Tarnkappe für unpolarisiertes sichtbares Licht im Bereich von 700 Nanometern zu realisieren. Dies entspricht der Farbe Rot.
 
„Die nun entwickelte Tarnkappe ist ein attraktives Demonstrationsobjekt für die fantastischen Möglichkeiten, welche das recht neue Gebiet der Transformationsoptik und ihrer Metamaterialien offeriert. In den vergangenen Jahren haben sich hier Gestaltungsspielräume eröffnet, die lange für nicht möglich gehalten wurden“, so Ergin.  „Wir erwarten dramatische Verbesserungen in den lichtbasierten Technologien.“ Bei Solarzellen jedenfalls scheint sich der Einsatz von Tarnkappen zu lohnen, wie die aktuellen Experimente zur Lichtumleitung auf beschattete Stellen gezeigt haben. Rebecca Raspe


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